(57)【要約】【課題】垂直電荷転送路の電荷転送効率とブルーミング特性を劣化させずに読み出し電圧を低くすることのできる固体撮像素子を提供する。【解決手段】  水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部２と、光電変換部２で生成された信号電荷を垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路３と、光電変換部２と垂直電荷転送路３の間に配置され光電変換部２に蓄積された信号電荷を垂直電荷転送路３に移送する読み出しゲート部２３と、を備えた固体撮像素子１００であって、垂直電荷転送路３が、信号電荷が移送される垂直転送チャネル１９と、該垂直転送チャネル１９に対峙して配設され信号電荷を転送するための電荷転送電極２１とを有し、電荷転送電極２１を、読み出しゲート部２３を越えて光電変換部２側へ延設した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を前記垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記光電変換部と前記垂直電荷転送路の間に配置され前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記垂直電荷転送路に移送する読み出しゲート部と、を備えた固体撮像素子であって、
前記垂直電荷転送路が、前記信号電荷が移送される垂直転送チャネルと、該垂直転送チャネルに対峙して配設され前記信号電荷を転送するための電荷転送電極とを有し、前記電荷転送電極が、前記読み出しゲート部を越えて前記光電変換部側へ延設されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記光電変換部の表面に形成されるｐ型高濃度不純物領域が、少なくとも前記電荷転送電極に対して上下に重ならない位置まで、前記垂直電荷転送路側とは反対側に後退していることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記電荷転送電極が、少なくとも前記垂直転送チャネルと前記光電変換部との間で、該電荷転送電極と前記読み出しゲート部との間隙を狭める突出部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子に関し、より詳細には光電変換部から垂直電荷転送路に信号電荷を移送する読み出しゲート部付近の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示す固体撮像素子１は、ＣＣＤイメージセンサであって、撮像光学系が結像した光学像を電気信号に変換する光学素子である。この固体撮像素子１は、光電変換部２、垂直電荷転送路３、水平電荷転送路４、出力部５とを含んで構成される。
【０００３】
図６に図５に示すＡ−Ａ線の断面図を示した。固体撮像素子１には、ｎ型のシリコン基板１１の表面部に光電変換素子であるフォトダイオード２が形成され、受光によりフォトダイオード２で発生した信号電荷を垂直電荷転送路３により列方向（図５中のＹ方向）に転送する。フォトダイオード２は、水平及び垂直方向に二次元配列され、垂直電荷転送路３は、フォトダイオード２の並びの列間に形成される。
【０００４】
フォトダイオード２は、シリコン基板１１上のｐ型不純物添加領域１３の所定箇所にｎ型不純物添加領域１５を設け、このｎ型不純物添加領域１３上にｐ型高濃度不純物添加領域１７を設けることによって形成された埋込型のフォトダイオードによって構成される。ｎ型不純物添加領域１５は、電荷蓄積領域として機能する。
【０００５】
垂直電荷転送路３は、フォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板表面部に形成されたｎ型不純物添加領域である垂直転送チャネル１９と、垂直転送チャネル１９の上層に形成された電荷転送電極２１と、フォトダイオード２で発生した電荷を垂直転送チャネル１９に転送するための読み出しゲート部２３とを含む。
【０００６】
上記のフォトダイオード２及び垂直電荷転送路３は、p型不純物添加領域である素子分離領域２５ａ，２５ｂによって画成された領域内に形成されている。
また、各不純物添加領域は、例えばイオン注入とその後のアニールとによって形成することができる。
【０００７】
垂直電荷転送路３、及び水平電荷転送路４と出力部５（図５参照）を覆うようにして、遮光膜２７が形成される。この遮光膜２７は、個々のフォトダイオード２の上方に開口部を１つずつ形成している。従って、個々のフォトダイオード２表面において開口部内に平面視上位置する領域が、このフォトダイオード２の光入射面となる。
【０００８】
複数の垂直電荷転送路３が接続される水平電荷転送路４は、垂直電荷転送路３から送られてくる信号電荷を、水平方向（図５中のＸ方向）に出力部５に向けて高速に転送する。そして、電荷−電圧変換された後、水平電荷転送路４の電荷転送方向端部に設けられた出力部５の出力アンプにより電圧信号が増幅されて、これが出力信号として出力される。
【０００９】
ここで、図７に図６に対応する電位のポテンシャル分布図を示した。
素子分離領域２５ａと読み出しゲート部２３との間のフォトダイオード２に信号電荷が蓄積され、この電荷の読み出しを行う読み出しゲート部２３が、垂直電荷転送路３の電荷転送電極２１と共通となっている。この電荷転送電極２１に高い電圧のパルスを印加することにより、読み出しゲート部２３の電位がフォトダイオード２の電位より高くなり、信号電荷がフォトダイオード２から垂直転送チャネル１９に読み出し転送される。
【００１０】
上記のような垂直転送チャネルへの信号電荷の読み出し転送を行う固体撮像素子で、垂直電荷転送路の電荷転送電極のうち、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極の領域を広くする構成が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平９−３２６４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
読み出し電圧を低くする方法が上記特許文献１に記載されているが、この方法では、信号電荷の読み出しに寄与する転送電極とその他の転送電極との長さのバランスが悪くなるために、垂直電荷転送路の電荷転送効率が悪くなるという欠点がある。
また、光電変換部と垂直電荷転送路の間の領域（以下、読み出しゲート部）の不純物濃度を低くすれば読み出し電圧は低くなるが、読み出し以外のときに光電変換部から垂直電荷転送路に信号電荷が漏れ出す現象（ブルーミング）が生じることとなる。
【００１２】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、垂直電荷転送路の電荷転送効率とブルーミング特性を劣化させずに読み出し電圧を低くすることのできる固体撮像素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の上記目的は、下記構成により達成される。
（１）  水平及び垂直方向に二次元配列され、入射光を光電変換して信号電荷を生成する複数の光電変換部と、該光電変換部で生成された信号電荷を前記垂直方向に転送する複数の垂直電荷転送路と、前記光電変換部と前記垂直電荷転送路の間に配置され前記光電変換部に蓄積された信号電荷を前記垂直電荷転送路に移送する読み出しゲート部と、を備えた固体撮像素子であって、前記垂直電荷転送路が、前記信号電荷が移送される垂直転送チャネルと、該垂直転送チャネルに対峙して配設され前記信号電荷を転送するための電荷転送電極とを有し、前記電荷転送電極が、前記読み出しゲート部を越えて前記光電変換部側へ延設されていることを特徴とする固体撮像素子。
【００１４】
この固体撮像素子によれば、電荷転送電極が、読み出しゲート部を越えて光電変換部側へ延設されてることにより、張り出した電荷転送電極と読み出しゲート部との電気的結合容量が大きくなり、電荷転送電極の電位変動が読み出しゲート部に伝わりやすくなる。これにより、読み出しゲート部の電位変化が大きくなり、読み出しゲート部の電位障壁を低い電圧で消失させることができる。
【００１５】
（２）前記光電変換部の表面に形成されるｐ型高濃度不純物領域が、少なくとも前記電荷転送電極に対して上下に重ならない位置まで、前記垂直電荷転送路側とは反対側に後退していることを特徴とする（１）記載の固体撮像素子。
【００１６】
この固体撮像素子によれば、ｐ型高濃度不純物領域は接地電位に固定されているので、読み出しゲート部の近傍にｐ型高濃度不純物領域が存在すると、読み出しゲート部の電位が高くなりにくくなる。そして、読み出しゲート部の近傍から接地電位が遠ざかるので、読み出しゲート部の電位を容易に高くすることができる。よって、電位障壁を低い電圧で消失させることができる。
【００１７】
（３）前記電荷転送電極が、少なくとも前記垂直転送チャネルと前記光電変換部との間で、該電荷転送電極と前記読み出しゲート部との間隙を狭める突出部を有することを特徴とする（１）又は（２）記載の固体撮像素子。
【００１８】
この固体撮像素子によれば、電荷転送電極の突出部が、少なくとも垂直転送チャネルと光電変換部との間で、電荷転送電極と読み出しゲート部との間の絶縁膜の厚さを薄くすることにより形成されるため、電荷転送電極と読み出しゲート部との電気的結合容量が大きくなり、電荷転送電極の電位変動が読み出しゲート部に伝わりやすくなる。これにより、読み出しゲート部の電位変化が大きくなり、読み出しゲート部の電位障壁を低い電圧で消失させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体撮像素子によれば、垂直電荷転送路の電荷転送効率とブルーミング特性を劣化させずに読み出し電圧を低くすることができる。もって、長時間駆動した場合でも素子の劣化速度を抑え、良好な画像取り込みを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る固体撮像素子の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る固体撮像素子の要部断面図である。以降の説明においては、図６と共通する部材に対しては同一の符号を付与することでその説明を省略或いは簡略化するものとする。
図１に示す固体撮像素子１００には、ｎ型のシリコン基板１１の表面部に光電変換素子であるフォトダイオード２が多数形成され、受光により各フォトダイオード２で発生した信号電荷を列方向（図５中のＹ方向）に転送するための垂直電荷転送路３が、列方向に配設された複数のフォトダイオード２の列の間に形成されている。
【００２１】
垂直電荷転送路３は、複数のフォトダイオード列の各々に対応してシリコン基板１１表面部に形成された複数本の垂直転送チャネル１９と、垂直転送チャネル１９の上層に形成された電荷転送電極３１と、フォトダイオード２で発生した電荷を垂直転送チャネル１９に読み出すための電荷読み出し部２３とを含む。
【００２２】
シリコン基板１１の表面には、酸化シリコン（ＳｉＯ）や窒化シリコン(Ｓｉ3Ｎ4)等からなる絶縁膜２９があり、垂直電荷転送路３と読み出しゲート部２３の上部には、ポリシリコンなどからなる電荷転送電極３１が配置されている。この電荷転送電極３１は、遮光膜２７で覆われている。
【００２３】
上記構成の固体撮像素子１００において、本実施形態においては、電荷転送電極３１、及びフォトダイオード２のｐ型高濃度不純物添加領域（ｐ+ 型不純物添加領域）３３とｎ型不純物添加領域３５の形状に特徴を有している。
本実施形態においては、電荷転送電極３１は読み出しゲート部２３を越えてフォトダイオード２側に張り出すように延設されている。また、フォトダイオード２の表面におけるｐ型高濃度不純物添加領域３３は、電荷転送電極３１に対して上下に重ならない位置まで、垂直電荷転送路３側とは反対側に後退している。また、後退した領域はｎ型不純物添加層３５の領域となる。
【００２４】
この構成としたことによる作用効果を以下に説明する。
信号電荷を蓄積するときは、電荷転送電極３１に印加されている電圧が低いので、読み出しゲート部２３には図７に示すように電位障壁が形成される。フォトダイオード２と垂直電荷転送路３との間には電位障壁があるので、入射光により光電変換で発生した信号電荷は、フォトダイオード２に蓄積される。この蓄積された信号電荷をフォトダイオード２から垂直電荷転送路３に移送するときは、電荷転送電極に高い電圧を印加すると読み出しゲート部２３の電位が上がるので、電位障壁が消失し、フォトダイオード２の信号電荷が垂直電荷転送路３に移送される。
【００２５】
ここで、読み出し電圧を低くするには、電位障壁を消失させるために必要な電圧を低くすることが必要である。電荷転送電極３１の電位変動に対する読み出しゲート部２３の電位変化が大きくなれば、低い電圧で電位障壁が消失するので、読み出し電圧は低くなる。そこで、電荷転送電極３１をフォトダイオード２側に張り出すよう延設すれば、電荷転送電極３１と読み出しゲート部２３の電気的結合容量が大きくなり、電荷転送電極３１の電位変動が読み出しゲート部２３に伝播されやすくなるので、読み出しゲート部２３の電位変化が大きくなる。
【００２６】
また、ｐ型高濃度不純物添加領域３３を後退させると、読み出しゲート部２３の電位変化が大きくなる。その理由は、ｐ型高濃度不純物添加領域３３は空乏化しておらず、接地電位に固定されており、接地電位の領域が読み出しゲート部２３の近傍に存在することは、読み出しゲート部２３の電位を高くすることを妨げることになる。よって、読み出しゲート部２３の電位変化を大きくするためには、ｐ型高濃度不純物添加領域３３を読み出しゲート部２３から離した方がよい。
【００２７】
以上の電荷転送電極３１が読み出しゲート部２３を越えてフォトダイオード２側に張り出している効果と、ｐ型高濃度不純物添加領域３３が垂直電荷転送路３とは反対側へ後退している効果との相乗作用によって、読み出しゲート部２３における読み出し電圧を一層低くすることができる。そして、垂直電荷転送路の電荷転送効率とブルーミング特性を劣化させずに読み出し電圧を低くすることができ、長時間駆動した場合の素子の劣化速度を抑え、良好な画像取り込みを行うことが可能となる。
【００２８】
次に、本発明に係る固体撮像素子の第２実施形態を説明する。
図２は電荷転送電極を読み出しゲート部に近づけて形成した固体撮像素子の要部断面図を示した。
本実施形態の固体撮像素子２００においては、読み出しゲート部２３とフォトダイオード２との間の絶縁膜２９に対して、少なくとも垂直転送チャネル１９とフォトダイオード２との間で、電荷転送電極３７と読み出しゲート部２３との間の絶縁膜２９の厚さを薄くしている。これにより、電荷転送電極３７と読み出しゲート部２３との間隙は、電荷転送電極３７の突出部３７ａをシリコン基板１１側に向けて形成される。読み出し電圧を低減させる効果は、絶縁膜２９の厚さを薄くする領域の面積が広い程高くなる。
【００２９】
上記のように絶縁膜２９を薄くすることにより、電荷転送電極３７と読み出しゲート部２３との電気的結合容量が大きくなり、電荷転送電極３７の電位変動が読み出しゲート部２３に伝播しやすくなるので、読み出しゲート部２３の電位変化を大きくできる。これにより、前述した第１実施形態の効果に加えて相乗的に電荷の読み出し電圧を低減することができる。
【００３０】
ここで、本実施形態における絶縁膜２９を薄くする製造プロセスの一部を説明する。
図３に絶縁膜の除去と電荷転送電極の形成を行う工程（ａ）〜（ｄ）を示した。
図３（ａ）に示すように、絶縁膜２９を、シリコン基板１１の表面側から順にＳｉＯ層４１、Ｓｉ3Ｎ4層４３、ＳｉＯ層４５を積層して形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、電荷転送電極の形成位置を開口させてレジスト４７を形成し、ドライエッチングによって絶縁膜２９の最上層のＳｉＯ層４５を除去する。さらに、ドライエッチングの条件を変更してさらに下層のＳｉ3Ｎ4層４３を除去する。
【００３１】
これにより、図３（ｃ）に示すように、電荷転送電極の形成位置が、絶縁膜２９のＳｉＯ層４１だけの単層とされる。この状態からレジスト４７を除去して、図３（ｄ）に示すように、電荷転送電極３７を形成すれば、読み出しゲート部２３との間隙の狭い、突出部３７ａを有する電荷転送電極３７の構造にできる。
【００３２】
以上の製造プロセスによれば、３層構造の絶縁膜２９のうち１層のみを残して除去することで、電荷転送電極３７の突出部３７ａの読み出しゲート部２３に対面する面を、簡単に平坦性の良好な面として形成することができる。これにより、読み出しゲート部２３の電界分布を均一化でき、読み出し電圧の低減効果を安定して享受できるようになる。
【００３３】
次に、本実施形態の固体撮像素子の変形例を説明する。
図４は図２に示す固体撮像素子のシリコン基板側を図６に示す構成と同様にした固体撮像素子の要部断面図である。
本変形例の固体撮像素子３００においては、電荷転送電極３７は読み出しゲート部２３を越えてフォトダイオード２側に張り出して延設されている。また、読み出しゲート部２３とフォトダイオード２との間の絶縁膜２９の厚みを、少なくとも垂直転送チャネル１９とフォトダイオード２との間で、電荷転送電極３７と読み出しゲート部２３との間の絶縁膜２９の厚さを薄くするようにしている。これにより、電荷転送電極３７と読み出しゲート部２３との間隙は、電荷転送電極３７の突出部３７ａをシリコン基板１１側に向けて形成される。
【００３４】
本変形例の構成であっても、電荷転送電極３７の張り出しと、読み出しゲート部２３との間の絶縁層２９の厚さを薄くすることによる前述した効果を共に享受することができ、読み出し電圧を低減することができる。
【００３５】
以上説明した本発明に係る固体撮像素子は、上記の実施形態の構成に限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜な設計変更が可能である。例えば、絶縁膜２９の薄膜化領域を、フォトダイオード２側から垂直転送チャネル１９側にかけて絶縁膜２９層の厚さが徐々に薄くなるようなスロープ状に形成することで、電荷の移動をよりスムーズにできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の要部断面図である。
【図２】電荷転送電極を読み出しゲート部に近づけて形成した固体撮像素子の要部断面図である。
【図３】絶縁膜の除去と電荷転送電極の形成を行う工程（ａ）〜（ｄ）を示す工程図である。
【図４】図２に示す固体撮像素子のシリコン基板側を図６に示す構成と同様にした固体撮像素子の要部断面図である。
【図５】固体撮像素子の概略構成図である。
【図６】図５に示すＡ−Ａ線の断面図である。
【図７】図６に対応する電位のポテンシャル分布図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  固体撮像素子
２  フォトダイオード
３  垂直電荷転送路
４  水平電荷転送路
５  出力部
１１  ｎ型シリコン基板
１３  ｐ型不純物添加領域
１５  ｎ型不純物添加領域
１７  ｐ型高濃度不純物添加領域
１９  垂直転送チャネル
２１  電荷転送電極
２３  読み出しゲート部
２５ａ，２５ｂ  素子分離領域
２７  遮光膜
２９  絶縁膜
３１  電荷転送電極
３３  ｐ+ 型不純物添加領域
３５  ｎ型不純物添加領域
３７  電荷転送電極
３７ａ  突出部
４１  ＳｉＯ層
４３  Ｓｉ3Ｎ4層
４５  ＳｉＯ層
４７  レジスト
１００，２００，３００  固体撮像素子
【図１】
2006344800.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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